Trasferimento di calore - che cos'è? Tipi, metodi, calcolo del trasferimento di calore

Il trasferimento di calore è un processo fisico importante. Implica il trasferimento di calore ed è un processo complesso che consiste in un insieme di semplici trasformazioni.

Esistono alcuni tipi di trasferimento di calore: convezione, conduzione del calore, radiazione termica.

Funzionalità del processo

La teoria del trasferimento di calore è la scienza delle caratteristiche del trasferimento di calore. Il trasferimento di calore è il trasferimento di energia in mezzi gassosi, liquidi e solidi.

века. La teoria del calore apparve a metà del XVIII secolo. Il suo autore era M. V. Lomonosov, che ha formulato la teoria meccanica del calore, usando la legge di conservazione e trasformazione dell'energia.

Opzioni di scambio termico

Il trasferimento di calore è parte integrante dell'ingegneria termica. Diversi corpi possono scambiare i loro energia interna sotto forma di calore. L'opzione del trasferimento di calore è un processo spontaneo di trasferimento di calore nello spazio libero, che viene osservato con una distribuzione irregolare della temperatura.

La differenza nei valori di temperatura è un prerequisito per lo scambio di calore. La distribuzione del calore avviene da corpi con una temperatura più elevata, a corpi con un indice più basso.

Risultati della ricerca

Il trasferimento di calore è un processo di trasferimento di calore all'interno di un solido, ma a condizione che vi sia una differenza di temperatura.

Numerosi studi indicano che il trasferimento di calore delle strutture che racchiudono è un processo complesso. Per semplificare lo studio dell'essenza dei fenomeni associati al trasferimento di calore, emettere operazioni elementari: conduzione, radiazione, convezione.

Conducibilità termica: informazioni generali

Che tipo di trasferimento di calore è più comunemente usato? Trasferendo una sostanza all'interno del corpo, è possibile modificare la temperatura, ad esempio il riscaldamento di una barra metallica, aumentare la velocità del movimento termico degli atomi, le molecole, aumentare l'energia interna, aumentare la conduttività termica del materiale. Quando le particelle si scontrano, si verifica un trasferimento graduale di energia, a seguito della quale l'asta intera cambia la sua temperatura.

Se consideriamo sostanze gassose e liquide, allora il trasferimento di energia attraverso la conduzione del calore in esse ha indicatori insignificanti.

convezione

Tali metodi di trasferimento di calore sono associati al trasferimento di calore quando si spostano in gas o liquidi da una regione con un valore di temperatura in una regione con un altro indicatore di esso. Esiste una suddivisione della convezione in due tipi: forzata e libera.

Nel secondo caso, il fluido si muove sotto l'influenza della differenza nelle densità delle sue singole parti a causa del riscaldamento. Ad esempio, nella stanza dalla superficie calda del radiatore sale aria fredda, ricevendo calore aggiuntivo dalla batteria.

In quei casi in cui per il movimento del calore è necessario utilizzare una pompa, un ventilatore, un miscelatore, stiamo parlando di convezione forzata. Il riscaldamento dell'intero volume del liquido in questo caso avviene molto più rapidamente rispetto alla convezione libera.

radiazione

Che tipo di trasferimento di calore caratterizza il cambiamento di temperatura in un ambiente gassoso? Si tratta di radiazioni termiche.

Che coinvolge il trasferimento di calore sotto forma di onde elettromagnetiche implica una doppia transizione di energia termica in radiazione, quindi indietro.

Caratteristiche del trasferimento di calore

Per eseguire il calcolo del trasferimento di calore, è necessario avere un'idea che sia necessario un mezzo termico per la conduzione del calore e la convezione, e questo non è necessario per le radiazioni. Nel processo di scambio termico tra i corpi, si osserva una diminuzione della temperatura in quel corpo in cui questo indicatore ha un valore elevato.

La temperatura di un corpo freddo aumenta esattamente della stessa quantità, il che conferma il vero e proprio processo di scambio di energia.

L'intensità del trasferimento di calore dipende dalla differenza di temperatura tra i corpi, che scambiano energia. Se è praticamente assente, il processo è completato, viene stabilito l'equilibrio termico.

Caratteristiche del processo di conducibilità termica

Il coefficiente di trasferimento del calore è correlato al grado di calore corporeo. Il campo della temperatura è la somma degli indici di temperatura per diversi punti nello spazio in un determinato momento. Quando il valore della temperatura cambia in un'unità di tempo, il campo è non stazionario, per un valore costante - una vista stazionaria.

Superficie isotermica

Indipendentemente dal campo di temperatura, è sempre possibile identificare i punti che hanno lo stesso valore di temperatura. La loro disposizione geometrica forma una certa superficie isotermica.

In un punto dello spazio non è possibile trovare contemporaneamente due temperature diverse, quindi le superfici isotermiche non possono intersecarsi tra loro. Si può concludere che un cambiamento nel corpo del valore di temperatura si manifesta solo in quelle direzioni che intersecano le superfici isotermiche.

Il salto massimo è notato nella direzione normale alla superficie. Il gradiente di temperatura è il rapporto tra la temperatura più alta e l'intervallo tra isoterme ed è una quantità vettoriale.

Mostra l'intensità del cambiamento di temperatura all'interno del corpo, determina il coefficiente di trasferimento del calore. il quantità di calore che sarà trasferito attraverso qualsiasi superficie isotermica, chiamata flusso di calore.

Per densità si intende il rapporto con l'area unitaria della superficie isotermica stessa. Questi valori sono vettori opposti.

La legge di Fourier

È la legge fondamentale della conduzione del calore. La sua essenza risiede nella proporzionalità della densità del flusso di calore al gradiente di temperatura.

Il coefficiente di conducibilità termica caratterizza la capacità dei corpi di trasmettere calore, dipende dalle proprietà fisiche di una sostanza e dalla sua composizione chimica, umidità, temperatura, porosità. L'umidità durante il riempimento dei pori stimola un aumento della conduttività termica. Con un'alta porosità all'interno del corpo, è contenuta una quantità maggiore di aria, che influisce sulla diminuzione della conduttività termica.

Tutti i materiali hanno un certo coefficiente di resistenza al calore, lo si può trovare nei libri di riferimento.

Conduttività termica in una parete solida

Come prerequisito per questo processo è considerata la differenza di temperatura tra le superfici del muro. In tale situazione, si forma un flusso di calore, che viene diretto dalla parete con un grande valore di temperatura sulla superficie della parete con una bassa temperatura.

Secondo la legge di Fourier, il flusso di calore sarà proporzionale all'area della parete, così come alla pressione della temperatura, e inversamente proporzionale allo spessore di questa parete.

La resistenza al trasferimento termico ridotta dipende da conducibilità termica del materiale da cui sono fatti i muri. Se includono diversi livelli diversi, sono considerati superfici a più strati.

Come esempio di tali materiali si possono chiamare le pareti delle case, dove lo strato interno di intonaco è applicato allo strato di mattoni, così come il rivestimento esterno. In caso di contaminazione della superficie esterna dell'energia termica trasmittente, ad esempio radiatori o motori, lo sporco può essere considerato come l'imposizione di un nuovo strato con un coefficiente di conduttività termica trascurabile.

È per questo che lo scambio di calore è ridotto, c'è una minaccia di surriscaldamento del motore operativo. Un effetto simile provoca fuliggine e incrostazioni. Con un aumento del numero di strati del muro, la sua resistenza termica massima aumenta e il flusso di calore diminuisce.

Per pareti multistrato, la distribuzione della temperatura è una linea tratteggiata. In molti scambiatori di calore il flusso di calore passa attraverso le pareti dei tubi rotondi. Se il corpo scaldante si muove all'interno di tali tubi, il flusso di calore viene diretto verso le pareti esterne dalle parti interne. Quando viene osservata la variante esterna, il processo inverso.

Trasferimento di calore: caratteristiche del processo

Esiste un'interazione tra radiazione termica, convezione, conduzione del calore. Ad esempio, nel processo di convezione, si verifica la radiazione termica. La conducibilità termica in materiali porosi è impossibile senza radiazione e convezione.

Quando si effettuano calcoli pratici, la divisione di processi complessi in fenomeni separati non è sempre consigliabile e possibile. Fondamentalmente, il risultato degli effetti cumulativi di diversi fenomeni semplici è attribuito al processo che è considerato il principale in un caso particolare.

I processi secondari in questo approccio sono presi in considerazione solo per i calcoli quantitativi.

Nei moderni scambiatori di calore, il calore viene trasferito da un tipo di liquido ad un altro liquido attraverso la parete che li separa. Un fattore importante che influenza il coefficiente di trasferimento del calore è la forma del muro. Se è piatto, è possibile distinguere tre fasi di trasferimento del calore:

• alla superficie della parete dal fluido riscaldante;
• conducibilità termica attraverso il muro;
• al fluido riscaldato sulla superficie del muro.

La resistenza termica totale del trasferimento di calore è l'inverso del coefficiente di scambio termico.

conclusione

La conduttività termica è il processo di trasferimento dell'energia interna dalle parti riscaldate del corpo alle sue parti fredde. Un processo simile viene eseguito con l'aiuto di atomi, molecole, elettroni che si spostano casualmente. Tale processo può verificarsi in corpi che hanno una distribuzione non uniforme dei valori di temperatura, ma differiscono a seconda dello stato di aggregazione della sostanza in questione.

Puoi considerare questo valore come una caratteristica quantitativa della capacità del corpo di condurre il calore. м²/сек. La conducibilità termica si riferisce alla quantità di calore che può passare attraverso un materiale dello spessore di 1 m, un'area di 1 m² / s.

Per molto tempo si è creduto che esistesse una relazione tra il trasferimento di energia termica e il trasferimento del calorico da un corpo all'altro. Ma dopo aver condotto numerosi esperimenti, è stata rivelata la dipendenza di tali processi dalla temperatura.

In realtà, quando si eseguono calcoli matematici riguardanti la determinazione della quantità di calore trasmessa in modi diversi, si tiene conto della conduttività per convezione e della radiazione penetrante. Il coefficiente di trasferimento del calore è associato alla velocità di movimento del fluido, alla natura del movimento, alla sua natura e ai parametri fisici del mezzo in movimento.

Le oscillazioni elettromagnetiche aventi diverse lunghezze d'onda fungono da portatori di energia radiante. Possono essere emessi da qualsiasi corpo la cui temperatura superi lo zero.

La radiazione è il risultato di processi che si verificano all'interno del corpo. Quando colpisce altri corpi, viene parzialmente assorbito e parzialmente assorbito dal corpo.

La legge di Planck determina la dipendenza della densità del flusso superficiale di un corpo nero sulla temperatura assoluta e sulla lunghezza d'onda.

I tipi più semplici di scambio termico, che sono stati discussi sopra, non esistono separatamente, sono interconnessi l'uno con l'altro. La combinazione di questi è un complesso scambio di calore, che implica uno studio serio e una considerazione dettagliata.

il calcoli di ingegneria termica utilizzare il coefficiente di trasferimento di calore totale, che è una combinazione di coefficienti di trasferimento di calore per contatto, che tiene conto della conducibilità termica, della convezione, della radiazione.

Con il giusto approccio e la contabilità dei singoli fenomeni termici, è possibile calcolare con elevata confidenza la quantità di calore trasferita al corpo.